KR20110031472A - 용융물 정제 및 배송 시스템 - Google Patents

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피터 엘. 켈러만
프랭크 싱클레어
프레디 칼슨
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베리안 세미콘덕터 이큅먼트 어소시에이츠, 인크.
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Abstract

용융물을 정제하기 위한 장치가 개시된다. 챔버 내의 용융물의 제 1 부분은 제 1 방향으로 냉동된다. 제 1 부분의 일부는 제 1 방향으로 용융된다. 용융물의 제 2 부분은 냉동된 상태로 남아 있다. 용융물은 챔버로부터 흐르고, 제 2 부분은 챔버로부터 제거된다. 냉동은 용융물 및 제 2 부분에서 용질들을 응축시킨다. 제 2 부분은 높은 용질 농도를 갖는 슬러그(slug)일 수 있다. 이 시스템은 예를 들어, 펌프들, 필터들, 또는 입자 트랩들과 같은 다른 부품들과 함께 시트 형성 장치에 통합될 수 있다.

Description

용융물 정제 및 배송 시스템{MELT PURIFICATION AND DELIVERY SYSTEM}
본 발명은 용융물(melt)로부터의 시트(sheet) 형성에 관한 것으로, 더욱 구체적으로, 용융물로부터 시트를 형성함에 있어서 이용되는 정제 시스템에 관한 것이다.
실리콘 웨이퍼들 또는 시트들은 예를 들어, 집적 회로(integrated circuit) 또는 솔라 셀(solar cell) 산업에서 이용될 수 있다. 재생가능한 에너지 소스들에 대한 수요가 증가함에 따라, 솔라 셀들에 대한 수요도 계속해서 증가하고 있다. 이들 수요들이 증가할수록, 솔라 셀 산업의 하나의 목표는 비용/전력 비율(cost/power ratio)을 낮추는 것이다. 2개의 유형들의 솔라 셀들, 즉, 실리콘(silicon) 및 박막(thin film)이 존재한다. 대다수의 솔라 셀들은 단결정 실리콘 웨이퍼들과 같은 실리콘 웨이퍼들로 만들어진다. 현재, 결정질 실리콘 솔라 셀의 주요 비용은 솔라 셀이 그 위에 만들어지는 웨이퍼이다. 솔라 셀의 효율, 또는 표준 조명 하에서 생산되는 전력의 양은 부분적으로 이 웨이퍼의 품질에 의해 제한된다. 품질을 감소시키지 않으면서 웨이퍼를 제조하는 비용에 있어서의 임의의 감소는 비용/전력 비율을 감소시킬 것이고, 이 청정 에너지 기술의 더욱 폭 넓은 응용을 가능하게 할 것이다.
가장 효율이 높은 실리콘 솔라 셀들은 20%를 초과하는 효율을 가질 수 있다. 이들은 전자기술 등급(electronics-grade)의 단결정질(monocrystalline) 실리콘 웨이퍼들을 이용하여 만들어진다. 이러한 웨이퍼들은 초크랄스키 방법(Czochralski method)을 이용하여 성장된 단결정질 원통형 부울(boule)로부터 얇은 슬라이스(thin slice)들을 소잉(sawing)함으로써 만들어질 수 있다. 이 슬라이스들은 200 ㎛ 미만의 두께일 수 있다. 단결정 성장을 유지하기 위하여, 부울은 용융물을 함유하는 도가니(crucible)로부터 10 ㎛/s와 같이 서서히 성장되어야 한다. 그 이후의 소잉 처리는 웨이퍼마다 대략 200 ㎛의 절단 손실, 또는 소우 블레이드(saw blade)의 폭으로 인한 손실에 이르게 된다. 또한, 원통형 부울 또는 웨이퍼는 정사각형 솔라 셀을 만들기 위해 사각화(square) 할 필요가 있을 수 있다. 사각화 하는 것과 절단 손실들은 모두 재료 낭비 및 증가된 재료 비용에 이르게 된다. 솔라 셀들이 더욱 얇아질수록, 절단 당 실리콘 낭비의 백분율이 증가한다. 그러나, 잉곳 슬라이싱(ingot slicing) 기술에 대한 제한들은 더욱 얇은 솔라 셀들을 얻는 능력을 방해할 수 있다.
다른 솔라 셀들은 다결정질(polycrystalline) 실리콘 잉곳들로부터 소잉된 웨이퍼들을 이용하여 만들어진다. 다결정질 실리콘 잉곳들은 단결정질 실리콘보다 신속하게 성장될 수 있다. 그러나, 더 많은 결함(defect)들 및 결정립계(grain boundary)들이 존재하므로, 결과적인 웨이퍼들의 품질은 더 낮으며, 이 더 낮은 품질은 효율이 더 낮은 솔라 셀들로 된다. 다결정질 실리콘 잉곳을 위한 소잉 처리는 단결정질 실리콘 잉곳 또는 부울만큼 비효율적이다.
실리콘 낭비를 감소시킬 수 있는 또 다른 해결책은 이온 주입 후에 실리콘 잉곳으로부터 클리빙(cleaving) 하는 것이다. 예를 들어, 수소(hydrogen), 헬륨(helium), 또는 다른 희가스(noble gas) 이온들은 주입 영역을 형성하기 위하여 실리콘 잉곳의 표면 아래에 주입된다. 이것 이후에, 이 주입 영역을 따라 잉곳으로부터 웨이퍼를 클리빙하기 위하여, 열, 물리, 또는 화학 처리가 행해진다. 이온 주입을 통한 클리빙은 절단 손실 없이 웨이퍼들을 생산할 수 있지만, 실리콘 웨이퍼들을 경제적으로 생산하기 위해 이 방법이 사용될 수 있다는 점이 여전히 입증되어야 한다.
또 다른 해결책은 용융물로부터 수직으로 실리콘의 얇은 리본(ribbon)을 견인(pull)하고, 그 다음으로 견인된 실리콘이 시트(sheet)로 냉각 및 응고되도록 하는 것이다. 이 방법의 견인 레이트(pulll rate)는 대략 18 mm/분(minute) 미만으로 제한될 수 있다. 실리콘의 냉각 및 응고 도중에 제거된 잠열(latent heat)은 수직 리본을 따라 제거되어야 한다. 이것은 리본을 따라 큰 온도 구배(temperature gradient)로 된다. 이 온도 기울기는 결정질 실리콘 리본에 응력(stress)을 가하고, 열악한 품질의 다수 결정립(multi-grain) 실리콘으로 될 수 있다. 리본의 폭 및 두께는 이 온도 기울기로 인해 제한될 수도 있다. 예를 들어, 폭은 80 mm 미만으로 제한될 수 있고, 두께는 180 ㎛로 제한될 수 있다.
용융물로부터 물리적으로 견인되는 실리콘의 수평 리본들도 검사되었다. 하나의 방법에서는, 로드(rod)에 부착된 시드(seed)가 용융물에 삽입되고, 로드 및 결과적인 시트는 도가니의 에지 상부에서 낮은 각도로 견인된다. 용융물이 도가니 상에서 넘치는 것을 방지하기 위하여, 각도 및 표면 장력(surface tension)의 균형이 맞추어진다. 그러나, 이러한 견인 처리를 개시하고 제어하는 것은 어렵다. 도가니 및 용융물에 대한 접근이 행해져서 시드를 삽입해야 하고, 이것은 열 손실(heat loss)로 될 수 있다. 이 열 손실을 보상하기 위하여 추가적인 열이 도가니에 가해질 수 있다. 이것은 비-층류 유체 흐름(non-laminar fluid flow)을 일으킬 수 있는 용융물에서의 수직 온도 기울기들을 야기시킬 수 있다. 또한, 중력과, 도가니 에지에 형성된 메니스커스(meniscus)의 표면 장력의 균형을 맞추기 위한 어려울 가능성이 있는 경사각 조절이 수행되어야 한다. 게다가, 시트 및 용융물의 분리 지점에서 열이 제거되고 있으므로, 잠열로서 제거되고 있는 열과, 현열(sensible heat)로서 제거되고 있는 열 사이에 갑작스러운 변화가 존재한다. 이것은 이 분리 지점에서 리본을 따라 큰 온도 기울기를 발생시킬 수 있고, 결정에서 전위(dislocation)들을 발생시킬 수 있다. 전위들 및 뒤틀림(warping)은 시트를 따르는 이러한 온도 기울기들로 인해 발생할 수 있다.
예를 들어, 배수로(spillway)를 이용하여 용융물로부터 수평으로 분리된 얇은 시트들을 생산하는 것은 수행되지 않았다. 분리에 의해 용융물로부터 수평으로 시트들을 생산하는 것은 잉곳으로부터 슬라이스된 실리콘보다 비용이 덜 비쌀 수 있고, 절단 손실 또는 사각화로 인한 손실을 제거할 수 있다. 또한, 분리에 의해 용융물로부터 수평으로 생산된 시트들은 수소 이온들 또는 다른 견인된 실리콘 리본 방법들을 이용하여 잉곳으로부터 클리빙된 실리콘보다 비용이 덜 비쌀 수 있다. 또한, 용융물로부터 수평으로 시트를 분리하는 것은 견인된 리본들에 비해 시트의 결정 품질을 향상시킬 수 있다. 재료 비용을 감소시킬 수 있는 이와 같은 결정 성장 방법은 실리콘 솔라 셀들의 비용을 감소시키도록 하는 주요한 수단일 것이다. 또한, 불순물(impurity)들 또는 용질(solute)들이 용융물에서 축적될 수 있다. 따라서, 종래 기술에서는 용융물을 정제하기 위한 개선된 장치 및 방법에 대한 필요성이 존재한다.
발명의 제 1 특징에 따르면, 정제 방법이 제공된다. 상기 방법은 챔버 내의 용융물의 제 1 부분을 제 1 방향으로 냉동시키는 단계를 포함한다. 제 1 부분의 일부는 제 1 방향으로 용융된다. 용융물의 제 2 부분은 냉동된 상태로 남아 있다. 용융물은 챔버(chamber)로부터 흐르고, 제 2 부분은 챔버로부터 제거된다.
발명의 제 2 특징에 따르면, 용융물을 정제하기 위한 장치가 제공된다. 장치는 공동(cavity)을 형성하는 챔버를 포함한다. 챔버는 또한 입구(inlet) 및 출구(outlet)를 형성한다. 장치는 또한 냉각기, 히터, 및 챔버를 따라 냉각기 및 히터를 제 1 방향으로 병진(translate)시키는 병진 기구(translation mechanism)를 포함한다.
발명의 제 3 특징에 따르면, 시트를 형성하기 위한 장치가 제공된다. 장치는 용융물을 형성하도록 구성된 도가니를 포함한다. 제 1 펌프는 도가니와 유체 연통 상태에 있다. 정제 시스템은 제 1 펌프와 유체 연통 상태에 있다. 제 2 펌프는 정제 시스템과 유체 연통 상태에 있다. 제 1 경로를 따라 제 2 펌프와 유체 연통 상태에 있는 시트 형성 장치는 시트를 형성하기 위해 용융물을 냉동시키도록 구성된다. 시트 형성 장치는 용융물을 수용하도록 구성된 채널을 형성하는 용기(vessel)와, 용융물 위에 배치된 냉각 판을 포함한다.
본 개시 내용의 더욱 양호한 이해를 위하여, 참조를 위해 본 명세서에 통합된 첨부 도면을 참조한다.
도 1은 용융물로부터 시트를 분리하는 장치의 실시예에 대한 단면 측면도이다.
도 2는 용융물로부터 시트를 견인하는 장치의 실시예에 대한 단면 측면도이다.
도 3은 펌프의 실시예에 대한 단면 측면도이다.
도 4의 A 내지 D는 도 3의 펌프 실시예를 이용한 펌핑의 단면 측면도들이다.
도 5는 필터의 블럭도이다.
도 6은 입자 트랩(particle trap)의 제 1 실시예에 대한 단면 측면도이다.
도 7은 입자 트랩의 제 2 실시예에 대한 단면 측면도이다.
도 8은 정제 시스템의 제 1 실시예에 대한 사시도이다.
도 9의 A 내지 F는 도 8의 정제 시스템 실시예를 이용한 정제 처리의 단계들에 대한 단면 정면도들이다.
도 10은 정제 시스템의 제 2 실시예에 대한 단면 정면도이다.
도 11은 정제 시스템의 제 3 실시예에 대한 단면 정면도이다.
도 12는 용질 농도를 비교하는 그래프이다.
도 13은 시트 형성 시스템의 제 1 실시예에 대한 블럭도이다.
도 14는 시트 형성 시스템의 제 2 실시예에 대한 블럭도이다.
도 15는 시트 형성 시스템의 제 3 실시예에 대한 블럭도이다.
도 16은 용융물로부터 시트를 분리하는 장치의 제 1 실시예에 대한 상부 평면도이다.
도 17은 용융물로부터 시트를 분리하는 장치의 제 2 실시예에 대한 상부 평면도이다.
도 18은 시트 형성 시스템의 제 4 실시예에 대한 블럭도이다.
본 명세서의 장치 및 방법들의 실시예들은 솔라 셀들과 관련지어 설명된다. 그러나, 이것은 예를 들어, 집적 회로들, 평판 패널들, 또는 당업자들에게 알려져 있는 다른 기판들을 생산하기 위해 이용될 수도 있다. 또한, 용융물은 실리콘인 것으로 본 명세서에 설명되어 있지만, 용융물은 게르마늄(germanium), 실리콘 및 게르마늄, 갈륨(gallium), 갈륨 나이트라이드(gallium nitride), 다른 반도체 재료들, 또는 당업자들에게 알려져 있는 다른 재료들을 함유할 수 있다. 따라서, 발명은 이하에서 설명되는 특정 실시예들에 한정되지 않는다.
도 1은 용융물로부터 시트(sheet)를 분리하는 장치의 실시예에 대한 단면 측면도이다. 시트 형성(sheet-forming) 장치(21)는 용기(16) 및 패널들(15 및 20)을 가진다. 용기(16) 및 패널들(15 및 20)은 예를 들어, 텅스텐(tungsten), 붕소 나이트라이드(boron nitride), 알루미늄 나이트라이드(aluminum nitride), 몰리브덴(molybdenum), 흑연(graphite), 실리콘 카바이드(silicon carbide), 또는 석영(quartz)일 수 있다. 용기(16)는 용융물(10)을 함유하도록 구성된다. 용융물(10)은 실리콘일 수 있다. 용융물(10)은 하나의 실시예에서 피드(11)를 통해 보충될 수 있다. 피드(11)는 고체 실리콘, 또는 고체 실리콘 및 게르마늄을 함유할 수 있다. 용융물(10)은 또 다른 실시예에서 용기(16)로 펌핑(pumping)될 수 있다. 시트(13)가 용융물(10) 위에 형성될 것이다. 하나의 예에서, 시트(13)는 용융물(10) 내에서 적어도 부분적으로 부유(float)할 것이다. 시트(13)가 용융물(10)에서 부유하는 것으로 도 1에 예시되어 있지만, 시트(13)는 용융물(10)에서 적어도 부분적으로 잠길 수 있거나, 용융물(10)의 상부에서 부유할 수 있다. 하나의 예에서, 시트(13)의 10%만이 용융물(10)의 상부 위로부터 생산된다. 용융물(10)은 장치(21) 내에서 순환될 수 있다.
이 용기(16)는 적어도 하나의 채널(17)을 형성한다. 이 채널(17)은 용융물(10)을 수용하도록 구성되고, 용융물(10)은 채널(17)의 제 1 지점(18)으로부터 제 2 지점(19)으로 흐른다. 하나의 예에서, 채널(17) 내의 환경은 용융물(10)에서 맥동(ripple)들을 방지하는 것이다. 용융물(10)은 압력 차이, 중력, 자기유체역학 구동(magnetohydrodynamic drive), 나사 펌프(screw pump) 및 임펠러 펌프(impeller pump), 휠(wheel), 또는 다른 이송 방법들로 인해 흐를 수 있다. 다음으로, 용융물(10)은 배수로(12) 위에서 흐른다. 이 배수로(12)는 램프(ramp), 둑(weir), 작은 댐(dam), 또는 모서리(corner)일 수 있고, 도 1에 예시된 실시예에 한정되지 않는다. 배수로(12)는 시트(13)가 용융물(10)로부터 분리될 수 있도록 하는 임의의 형상일 수 있다.
패널(15)은 이 특정한 실시예에서 용융물(10)의 표면 아래로 부분적으로 연장되도록 구성된다. 이것은 시트(13)가 용융물(10) 위에 형성될 때에 파동(wave) 또는 맥동(ripple)이 시트(13)를 교란시키는 것을 방지할 수 있다. 이 파동 또는 맥동은 피드(11)로부터의 용융물 재료의 추가, 펌핑, 또는 당업자들에게 알려져 있는 다른 원인들로 인해 형성될 수 있다.
하나의 특정한 실시예에서, 용기(16) 및 패널들(15 및 20)은 대략 1687K를 약간 초과하는 온도에서 유지될 수 있다. 실리콘에 대하여, 1687K는 냉동 온도 또는 계면 온도를 나타낸다. 용기(16) 및 패널들(15 및 20)의 온도를 용융물(10)의 냉동 온도를 약간 초과하도록 유지함으로써, 냉각 판(14)은 복사 냉각을 이용하여 용융물(10) 위에서 또는 그 내부에서 시트(13)의 희망하는 냉동 레이트를 얻도록 기능할 수 있다. 이 특정한 실시예의 냉각 판(14)은 하나의 세그먼트(segment) 또는 섹션(section)으로 구성되지만, 다른 실시예에서는 다수의 세그먼트들 또는 섹션들을 포함할 수 있다. 채널(17)의 하부는 용융물(10)의 용융 온도를 초과하여 가열될 수 있어서, 그 계면의 용융물(10)에서 작은 수직 온도 기울기를 생성하여, 시트(13) 위에서의 구조 과냉각(constitutional supercooling) 또는 수지상 돌기(dendrite)들이나 분기하는 돌기들의 형성을 방지할 수 있다. 그러나, 용기(16) 및 패널들(15 및 20)은 용융물(10)의 용융 온도를 초과하는 임의의 온도일 수 있다. 이것은 용융물(10)이 용기(16) 및 패널들(15 및 20) 위에서 응고되는 것을 방지한다.
장치(21)를 차폐물 내에서 적어도 부분적으로 또는 전체적으로 차폐시킴으로써, 장치(21)는 용융물(10)의 냉동 온도를 약간 초과하는 온도에서 유지될 수 있다. 차폐물이 장치(21)를 용융물(10)의 냉동 온도를 초과하는 온도에서 유지하는 경우, 장치(21)를 가열할 필요성이 회피되거나 감소될 수 있고, 차폐물 내부 또는 주변의 히터들은 임의의 열 손실을 보상할 수 있다. 이 차폐물은 비등방성 전도율(non-isotropic conductivity)과 등온(isothermal)일 수 있다. 또 다른 특정한 실시예에서, 히터들은 차폐물 위 또는 그 내부에 배치되지 않으며, 오히려 장치(21) 내에 있다. 하나의 예에서, 용기(16) 내에 히터들을 내장하고 멀티-구역(multi-zone) 온도 제어를 이용함으로써, 용기(16)의 상이한 영역들은 상이한 온도들로 가열될 수 있다.
차폐물은 장치(21)가 배치되어 있는 환경을 제어할 수 있다. 특정 실시예에서, 차폐물은 비활성 기체(inert gas)를 함유한다. 이 비활성 기체는 용융물(10)의 냉동 온도를 초과하도록 유지될 수 있다. 비활성 기체는 시트(13) 형성 처리 중에 구조 불안정성들을 일으킬 수 있는 용융물(10)로의 용질들의 추가를 감소시킬 수 있다.
장치(21)는 냉각 판(14)을 포함한다. 냉각 판(14)은 시트(13)가 용융물(10) 위에 형성될 때에 열 추출(heat extraction)을 가능하게 한다. 냉각 판(14)의 온도가 용융물(10)의 냉동 온도 미만으로 하강될 때, 냉각 판(14)은 시트(13)가 용융물(10) 위에서 또는 용융물(10) 내에서 냉동되도록 할 수 있다. 이 냉각 판(14)은 복사 냉각을 이용할 수 있고, 예를 들어, 흑연, 석영, 또는 실리콘 카바이드로 제조될 수 있다. 냉각 판(14)은 액체 용융물(10)로부터 신속하게, 균일하게, 그리고 제어된 양만큼 열을 제거할 수 있다. 시트(13)의 결함들을 방지하도록 시트(13)가 형성되는 동안에는, 용융물(10)로의 교란들이 감소될 수 있다.
용융물(10)의 표면 위에서의 융해열과 용융물(10)로부터의 열의 열 추출은 시트(13)를 낮은 결함 밀도로 유지하면서, 다른 리본 견인 방법들에 비해 시트(13)의 더 신속한 생산을 가능하게 할 수 있다. 용융물(10)의 표면 위의 시트(13), 또는 용융물(10) 위에 부유하는 시트(13)를 냉각하는 것은 큰 수평 유량(flow rate)을 가지면서, 융해 잠열(latent heat of fusion)이 천천히 그리고 큰 영역에 걸쳐 제거되도록 한다.
냉각 판(14)의 치수들은 길이 및 폭 모두에서 증가될 수 있다. 길이를 증가시키는 것은 동일한 수직 성장 레이트 및 결과적인 시트(13) 두께에 대해 더욱 신속한 용융물(10) 유량을 허용할 수 있다. 냉각 판(14)의 폭을 증가시키는 것은 더 폭이 넓은 시트(13)로 될 수 있다. 수직 시트 견인 방법과 달리, 도 1에 설명된 장치 및 방법의 실시예들을 이용하여 생산되는 시트(13)의 폭에 대해서는 고유의 물리적 제한이 존재하지 않는다.
하나의 특정한 예에서, 용융물(10) 및 시트(13)는 대략 1 cm/s의 레이트(rate)로 흐른다. 냉각 판(14)은 길이가 대략 20 cm이고, 폭이 대략 25 cm이다. 시트(13)는 대략 20초(second) 내에 대략 100 ㎛로 성장될 수 있다. 따라서, 시트는 대략 5 ㎛/s의 레이트에서 두께가 성장될 수 있다. 두께가 대략 100 ㎛인 시트(13)는 대략 10 ㎡/hour의 레이트에서 생산될 수 있다.
용융물(10)에서의 열 기울기들은 하나의 실시예에서 최소화될 수 있다. 이것은 용융물(10)이 안정적으로 그리고 층류(laminar) 방식으로 흐르도록 할 수 있다. 또한, 시트(13)가 냉각 판(14)을 이용한 복사 냉각을 통해 형성되도록 할 수 있다. 냉각 판(14)과 용융물(10) 사이의 대략 300 K의 온도 차이는 하나의 특정한 예에서 용융물(10) 위 또는 그 내부에 대략 7 ㎛/s의 레이트로 시트(13)를 형성할 수 있다.
냉각 판(14)으로부터 하류(downstream)에 있고 패널(20)의 하부에 있는 채널(17)의 영역은 등온일 수 있다. 이 등온 영역은 시트(13)의 어닐링(annealing)을 가능하게 할 수 있다.
시트(13)가 용융물(10) 위에 형성된 후, 시트(13)는 배수로(12)를 이용하여 용융물(10)로부터 분리된다. 용융물(10)은 채널(17)의 제 1 지점(18)으로부터 제 2 지점(19)으로 흐른다. 시트(13)는 용융물(10)과 함께 흐를 것이다. 시트(13)의 이러한 이송은 연속 동작일 수 있다. 하나의 예에서, 시트(13)는 용융물(10)이 흐르는 것과 대략 동일한 속도로 흐를 수 있다. 따라서, 시트(13)가 형성되어 이송될 수 있는 반면, 용융물(10)에 대해서는 정지되어 있다. 배수로(12)의 형상 또는 배수로(12)의 방위는 용융물(10) 또는 시트(13)의 속도 프로파일을 변경시키기 위하여 수정될 수 있다.
용융물(10)은 배수로(12)에서 시트(13)로부터 분리된다. 하나의 실시예에서, 용융물(10)의 흐름은 배수로(12) 위에서 용융물(10)을 이송하며, 적어도 부분적으로, 배수로(12) 위에서 시트(13)를 이송할 수 있다. 이것은 시트(13)에서의 결정 파괴를 최소화하거나 방지할 수 있고, 이것은 시트(13)에 외부 응력이 인가되지 않기 때문이다. 이 특정한 실시예에서, 용융물(10)은 시트(13)로부터 멀어지도록 배수로(12) 위에서 흐를 것이다. 시트(13)에 대한 열 충격을 방지하기 위하여, 배수로(12)에 냉각이 적용되지 않을 수 있다. 하나의 실시예에서, 배수로(12)에서의 분리는 등온에 근접한 상태들에서 발생한다.
용융물(10) 위에서 시트(13)의 적당한 냉각 및 결정화를 허용하도록 구성된 속도로 용융물(10)이 흐를 수 있으므로, 시트(13)는 용융물에 대해 수직으로 견인되는 것보다 장치(21)에서 더욱 신속하게 형성될 수 있다. 시트(13)는 대략 용융물(10)이 흐르는 정도로 신속하게 흐를 것이다. 이것은 시트(13) 위의 응력을 감소시킨다. 용융물에 대해 수직인 리본을 견인하는 것은 견인으로 인해 리본 위에 배치된 응력들 때문에 속도가 제한된다. 장치(21) 내의 시트(13)는 하나의 실시예에서 임의의 이러한 견인 응력들이 결여될 수 있다. 이것은 시트(13)의 품질과 시트(13)의 생산 속도를 증가시킬 수 있다.
시트(13)는 하나의 실시예에서 배수로(12)를 넘어서 직진하는 경향을 가질 수 있다. 이 시트(13)는 파손을 방지하기 위하여 일부 예들에서 배수로(12)를 넘어간 후에 지지될 수 있다. 지지 디바이스(22)는 시트(13)를 지지하도록 구성된다. 지지 디바이스(22)는 예를 들어, 기체 또는 공기 송풍기(blower)를 이용하여 시트(13)를 지지하기 위하여 기체 압력 차이를 제공할 수 있다. 시트(13)가 용융물(10)로부터 분리된 후, 시트(13)가 위치되어 있는 환경의 온도는 서서히 변화될 수 있다. 하나의 예에서, 시트(13)가 배수로(12)로부터 더 멀리 이동할 때, 온도는 떨어진다.
하나의 예에서, 시트(13)의 성장, 시트(13)의 어닐링, 배수로(12)를 이용한 시트(13)의 용융물(10)로부터의 분리는 등온 환경에서 발생할 수 있다. 배수로(12)를 이용한 분리와, 시트(13) 및 용융물(10)의 대략 동일한 유량(flow rate)들은 시트(13) 위에서 응력(stress) 또는 기계적 변형(mechanical strain)을 최소화한다. 이것은 단결정 시트(13)를 생산할 가능성을 증가시킨다.
또 다른 실시예에서는, 장치(21)의 용융물(10) 및 시트(13)에 자기장이 인가된다. 이것은 용융물(10) 내에서 진동하는 흐름들을 완충시킬 수 있고, 시트(13)의 결정화(crystallization)를 향상시킬 수 있다.
도 2는 용융물로부터 시트를 견인하는 장치의 실시예에 대한 단면 측면도이다. 이 실시예에서, 장치(23)는 용융물(10)로부터 시트(13)를 견인한다. 용융물(10)은 이 실시예의 채널(17)에서 순환하지 않을 수 있고, 시트(13)는 시드(seed)를 이용하여 견인될 수 있다. 시트(13)는 냉각 판(14)에 의한 냉각을 통해 형성될 수 있고, 결과적인 시트는 용융물(10)로부터 인출될 수 있다.
도 1 내지 도 2의 실시예들은 모두 냉각 판(14)을 이용한다. 냉각 판(14)의 길이에 걸쳐서의 상이한 냉각 온도들, 용융물(10)의 상이한 유량들 또는 시트(13)의 견인 속도들, 장치(21) 또는 장치(23)의 다양한 섹션들의 길이, 또는 장치(21) 또는 장치(23) 내의 타이밍이 처리 제어를 위해 이용될 수 있다. 용융물(10)이 실리콘인 경우, 다결정질(polycrystalline) 시트(13) 또는 단결정 시트(13)가 장치(21)에서 형성될 수 있다. 도 1 또는 도 2의 어느 하나의 실시예에서, 장치(21) 또는 장치(23)는 차폐물 내에 포함될 수 있다.
도 1 및 도 2는 용융물(10)로부터 시트들(13)을 형성할 수 있는 장치들의 오직 2개의 예들이다. 수직 또는 수평 시트(13) 성장을 위한 다른 장치들 또는 방법들이 가능하다. 본 명세서에 설명된 방법들 및 장치들의 실시예들은 임의의 수직 또는 수평 시트(13) 성장 방법 또는 장치에 적용될 수 있고, 도 1 내지 도 2의 특정 실시예들에 전적으로 한정되지 않는다.
도 3은 펌프의 실시예에 대한 단면 측면도이다. 펌프(30)는 용융물(10)의 냉동 온도를 초과하는 온도에서 용융물(10)을 이송하도록 구성된다. 하나의 예에서, 이 용융물(10)은 실리콘이고, 펌프(30)는 실리콘의 냉동 온도를 초과한 온도에서 동작할 수 있다. 펌프(30)는 용융물(10)의 냉동 온도를 초과하여 유지되는 열 절연된(thermally-insulated) 챔버에 위치될 수 있다.
펌프(30)는 공동(39)을 형성하는 펌프 챔버(31), 제 1 파이프(34) 근처의 입력 밸브(32), 및 제 2 파이프(35) 근처의 출력 밸브(33)를 포함한다. 제 1 파이프(34)는 용융물(10)을 위한 입구일 수 있고, 제 2 파이프(35)는 용융물(10)을 위한 출구일 수 있다. 기체 소스(36)는 예를 들어, 압력-제어된 아르곤(pressure-controlled argon)을 제공한다. 아르곤이 명시적으로 열거되어 있지만, 다른 비활성 기체 또는 희가스들이 이용될 수도 있다. 기체 소스(36)는 기체 소스(36)로부터 챔버(31)로의 기체의 흐름을 조절하기 위한 기체 밸브(gas valve)를 포함할 수 있다. 기체 밸브는 챔버(31) 내외의 양쪽의 기체 흐름을 허용할 수 있다. 용융물(10)과 접촉하는 펌프(30)의 모든 부품들은 붕소 나이트라이드(boron nitride), 석영(quartz), 실리콘 카바이드(silicon carbide), 또는 실리콘 나이트라이드(silicon nitride)와 같은 비오염(non-contaminating) 재료로 만들어질 수 있다. 펌프(30)에서의 압력은 용융물(10) 내부로 끌어들일 것이고, 희망하는 압력에서 용융물(10)을 펌핑하여 배출할 것이다. 펌프(30)는 기체 소스(36)에 의해 동력을 공급받는다. 이 펌프(30)는 (PO으로 칭해지는) 제 1 파이프(34)의 압력을 초과하는 (Pf로 칭해지는) 임의의 희망하는 압력에서 용융물(10)의 연속에 근접한(near-continuous) 배송을 제공할 수 있다.
도 3의 실시예에서, 다른 유형들의 밸브들이 이용될 수 있지만, 입력 밸브(32) 및 출력 밸브(33)는 체크 밸브(check valve)들이다. 체크 밸브는 유체가 밸브를 통해 하나의 방향으로만 흐르도록 하는 역류 방지 밸브(non-return valve) 또는 단방향 밸브(one-way valve)이다. 이 특정한 실시예에서, 입력 밸브(32) 및 출력 밸브(33)는 각각 본체(37) 및 받침(seat)(38)을 포함한다. 이 실시예의 본체(37)는 원형이지만, 다른 형상들이 가능하다. 본체(37)는 하나의 실시예에서 소켓(socket)일 수 있는 받침(38)에 맞추어지도록 구성된다. 입력 밸브(32) 또는 출력 밸브(33)가 밀봉될 때, 본체(37)는 받침(38)에 대해 정지 상태이다. 본체(37)는 붕소 나이트라이드, 석영, 실리콘 나이트라이드, 또는 실리콘 카바이드로 피복되거나 제조될 수 있다.
도 4의 A 내지 D는 도 3의 펌프 실시예를 이용한 펌핑의 단면 측면도이다. 도 4의 A는 펌프 챔버(31)에서의 압력(P)이 제 1 파이프(34)에서의 압력(PO)과 대략 동일한 초기 상태(P=PO)를 나타낸다. 따라서, 입력 밸브(32) 및 출력 밸브(33)는 각각 폐쇄된다. 도 4의 B에서, 펌프 챔버(31)에서의 압력은 낮아진다. 이것은 수학식 P<PO-ρghi에 의해 나타내어질 수 있고, ρ는 용융물(10)의 밀도이고, g는 중력이며, hi는 용융물(10)이 라인(40)에 의해 나타낸 펌프 팸버(31)에 진입하기 위하여 입력 밸브(32) 위에서 이동해야 하는 높이이다. 펌프 챔버(31)에서의 압력은 제 1 파이프(34)의 압력보다 작으므로, 입력 밸브(32)가 개방되어 용융물(10)은 펌프 챔버(31)를 채운다. 펌프 챔버(31)에서의 낮은 압력은 출력 밸브(33)가 닫힌 상태를 유지하도록 할 것이다. 도 4의 C에서는, 펌프 챔버(31)에서의 압력이 기체 소스(36)로부터의 기체를 이용하여 증가되었다. 이제, 펌프 챔버(31)에서의 압력이 제 2 파이프(35)에서의 압력보다 대략 더 크다. 이것은 수학식 P>Pf+ρghi에 의해 나타내어질 수 있다. 펌프 챔버(31)에서의 압력이 제 2 파이프(35)의 압력보다 크므로, 출력 밸브(33)가 개방되고, 용융물(10)은 펌프 챔버(31)로부터 비워진다. 펌프 챔버(31)에서의 높은 압력은 입력 밸브(32)가 폐쇄된 상태를 유지하게 할 것이다. 도 4의 D에서, 펌프(30)는 도 4의 A의 초기 상태로 다시 돌아가서, 펌프 챔버(31)의 압력은 제 1 파이프(34)에서의 압력과 대략 동일하다(P=PO).
도 4의 A 내지 D에 예시된 처리는 용융물(10)의 흐름을 생성하기 위해 반복될 수 있다. 용융물(10)의 속도는 필요에 따라 조절될 수 있다. 용융물(10)의 적당한 흐름 또는 속도를 보장하기 위하여, 하나 또는 그 이상의 펌프들(30)이 단독으로 또는 적어도 부분적으로 동시에 이용될 수 있다. 예를 들어, 2개의 펌프들이 병렬적으로 이용될 수 있어서, 제 1 펌프 단부들로부터의 용융물(10) 흐름이 종료될 때, 제 2 펌프로부터의 용융물(10) 흐름이 시작된다. 이것은 일정한 용융물(10) 배송을 보장할 수 있다.
도 5는 필터의 블럭도이다. 이 특정한 실시예에서, 필터(51)는 더 높은 압력 구역(50) 및 더 낮은 압력 구역(52) 사이에 위치되어 있다. 더 높은 압력 구역(50) 및 더 낮은 압력 구역(52) 사이의 압력 차이는 용융물(10)이 필터(51)를 통해 방향(53)으로 흐르도록 할 것이다. 필터(51)는 실리콘 디옥사이드(silicon dioxide) 또는 실리콘 카바이드와 같은 용융물(10) 내의 입자들을 제거할 수 있다. 이 필터(51)는 예를 들어, 실리콘 나이트라이드 메쉬(mesh) 또는 멤브레인(membrane)일 수 있다. 실리콘 나이트라이드 메쉬 또는 멤브레인은 예를 들어, NanoStructures, Inc.dp 의해 제조될 수 있거나, DUR-SIN™일 수 있다. 필터(51)는 다른 실시예들에서 붕소 나이트라이드 미립자(granule)들을 포함할 수 있다.
도 6은 입자 트랩(particle trap)의 제 1 실시예에 대한 단면 측면도이다. 용융물(10)이 입자 트랩(62)을 관통하여 흐를 때, 입자 트랩(62)은 용융물(10)에서 실리콘 다이옥사이드, 붕소, 철(iron), 또는 실리콘 카바이드와 같은 입자들(65)을 수집한다. 실리콘 카바이드, 철, 붕소, 및 실리콘 다이옥사이드의 일부 형태들은 실리콘 용융물(10)보다 더 높은 밀도들을 가진다. 예를 들어, 실리콘 용융물(10)은 대략 2.49 g/cc의 밀도를 가지는 반면, 실리콘 다이옥사이드는 대략 2.65 g/cc의 밀도를 가지고, 실리콘 카바이드는 대략 3.1 g/cc의 밀도를 가진다. 이 입자들(65)은 입자 트랩(62)의 하부에 가라앉을 것이지만, 용융물(10)은 용융물 입력(60)으로부터 입자 트랩(62)을 거쳐 용융물 출력(61)으로 방향(63)으로 흐른다. 용융물(10)은 압력 차이로 인해 방향(63)으로 흐를 수 있다.
도 7은 입자 트랩의 제 2 실시예에 대한 단면 측면도이다. 탄소(carbon), 질소(nitrogen) 또는 공기와 같은 어떤 입자들(66)은 실리콘 용융물(10)보다 더 낮은 밀도를 가진다. 이 입자들(66)은 입자 트랩(64)의 상부로 부유할 것이지만, 용융물(10)은 용융물 입력(60)으로부터 입자 트랩(64)을 거쳐 용융물 출력(61)으로 방향(63)으로 흐른다. 용융물(10)은 압력 차이로 인해 방향(63)으로 흐를 수 있다. 이 입자 트랩(64)은 용융물(10)에서 휘발성 화합물(volatile compound)들을 포획할 수도 있다. 또한, 입자 트랩(64)은 용융물(10)로부터 입자들(66)의 일부를 제거하기 위하여 스쿠프(scoop), 램프(ramp) 또는 스키머(skimmer)를 포함할 수 있다.
도 8은 정제 시스템의 제 1 실시예에 대한 사시도이다. 이 시스템은 탄소 또는 금속들과 같이, 1 미만의 분리 계수를 갖는 용융물(10)로부터의 오염물들을 제거할 수 있다. 물질에서의 용질의 분리 계수(Y)는 액체-고체 계면 근처의 고체 및 액체에서의 용질의 평형 농도(equilibrium concentration)의 비율이다. Y<1일 때, 용질은 고체로부터 액체로의 변환이 거부된다. Y>1일 때, 용질은 액체로부터 고체로의 변환이 거부된다.
장치(80)는 붕소 나이트라이드, 석영, 실리콘 카바이드, 또는 실리콘 나이트라이드와 같은 비오염 재료로 만들어진다. 장치(80)는 입구 포트(81)를 통해 용융물(10)로 채워진다. 입구 포트(81)는 이 특정한 실시예에서 장치(80)의 상부에 있다. 용융물(10)은 출구 포트(82)를 이용하여 장치(80)로부터 배출된다. 출구 포트(82)는 이 특정한 실시예에서 장치(80)의 하부에 있다. 입구 포트(81) 및 출구 포트(82)는 도 8에 예시된 것과 동일한 장치(80)의 측면, 또는 장치(80)의 다른 측면들 위에 위치될 수 있다. 출구 포트(82)는 정제 처리 중에 장치(80)의 하부에서 형성될 용질들의 슬러그(slug)(83) 위에 있다. 슬러그(83)는 용질들의 고농도의 냉동된 블럭이다.
도 9의 A 내지 F는 도 8의 정제 시스템을 이용한 정제 처리의 단계들에 대한 단면 정면도들이다. 도 9의 A 내지 F는 연대순으로 발생하지만, 다른 실시예들 및 방법들이 가능하다. 용융물(10)은 입구 포트(81)를 통해 장치(80)를 채운다. 장치(80)는 적어도 제 1 방향에서 장치(80)에 대해 병진될 수 있는 냉각기(cooler)들(90) 및 히터들(91)을 포함한다. 병진은 균일할 수 있고, 하나의 실시예에서 냉동 및 용융을 허용하는 속도일 수 있다. 냉각기들(90) 및 히터들(91)은 각각 차폐부(shielding) 및 절연부(insulation)를 가질 수 있다. 냉각기들(90) 및 히터들(91)에서의 열 전달은 전도, 대류, 복사, 또는 열 전달의 이전의 3개의 형태들의 임의의 조합일 수 있다. 2개의 냉각기들(90) 및 2개의 히터들(91)이 예시되어 있지만, 다른 개수의 냉각기들(90) 및 히터들(91)이 당업자들에게 알려진 바와 같이 가능하다.
하나의 예에서, 냉각기들(90) 및 히터들(91)은 장치(80)를 둘러싸는 밴드(band)들 또는 링(ring)들이다. 또 다른 예에서, 냉각기들(90) 및 히터들(91)은 장치(80) 근처의 판(plate)들 또는 블럭(block)들이다. 냉각기들(90) 및 히터들(91)은 이 실시예에서와 같이 병진 기구를 이용하여 효과적으로 결합될 수 있거나, 서로 개별적으로 또는 독립적으로 병진될 수 있다. 또 다른 예에서, 냉각기들(90) 및 히터들(91)은 장치(80) 내에 내장되고, 상이한 가열 또는 냉각 구역들이 시간에 걸쳐 선택적으로 활성화된다.
냉각기들(90) 및 히터들(91)은 온도 교란(disturbance)들을 최소화하기 위하여 서로와 시스템의 나머지 사이에 복사 차폐물들을 가질 수 있다. 냉각기(90)는 하나의 실시예에서 용융물(10)의 냉동 온도보다 작은 온도에서 동작할 수 있다. 따라서, 냉각기(90) 및 용융물(10)은 용융물(10)의 냉동 온도 미만으로 냉각될 수 있다. 히터들(91)은 오믹 히터(ohmic heater), 유도 코일(induction coil)들, 또는 저항성 히터(resistance heater)들을 포함할 수 있지만, 다른 유형들의 히팅이 가능하다. 냉각기(90)에 대한 유체 흐름은 하나의 실시예에서 냉각기(90)의 온도를 조절할 수 있지만, 다른 냉각 방법들이 가능하다.
도 9의 A 내지 F의 특정한 실시예에서, 냉각기들(90) 및 히터들(91)은 장치(80)에 대하여 병진되고, 장치(80) 내의 전체 용융물(10)을 예를 들어, 상부로부터 하부까지 냉동시킬 수 있다(도 9의 B 내지 C). 이것은 냉동된 용융물(92)(음영선으로 예시됨)을 형성할 것이다.
다수의 용질들은 용융물보다 고체에서 더 낮은 용해도(solubility)를 가지며, 따라서 용질들의 농도가 고체에서 감소된다. 전체 용융물(10)이 냉동되어 냉동된 용융물(92)을 형성하므로, 더 높은 용질 농도의 영역이 용융물(10) 및 냉동된 용융물(92) 사이의 계면에 생성될 것이다. 이 계면은 장치(80)의 하나의 단부로부터 다른 단부로 서서히 이동하고, 궁극적으로 높은 농질 농도를 포함하는 슬러그(83)를 형성한다. 이 처리는 다음의 분리 계수를 갖는 모든 용질들과 함께 작동할 수 있으며,
Y = Cs/Cl<1
여기서, Y는 분리 계수이고, Cs는 고체-액체 계면의 고체에서의 농도이고, Cl은 액체에서의 농도이다. 따라서, 이 용질들은 고체-액체 계면의 액체보다 고체에서 더 적게 용해가능하다. 예를 들어, 은(silver), 알루미늄, 금(gold), 구리(copper), 탄소, 철(iron), 리튬(lithium), 망간(manganese), 니켈(nickel), 황(sulfur), 탄탈륨(tantalum)과 같은 여러 화합물들이 이와 같은 방식으로 용융물(10)로부터 제거될 수 있다. 당업자들에게 알려져 있는 다른 용질들도 마찬가지로 용융물로부터 제거될 수 있다. 냉각기들(90) 및 히터들(91)의 파라미터들은 임의의 산소 또는 붕소의 적어도 일부를 제거하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 산소 또는 붕소를 제거하기 위해서는, 다수의 경로들 또는 냉동 및 용융 사이클들이 요구될 수 있다.
이 처리의 효과들은 도 12에 예시되어 있다. 도 12에서는, 냉각기들(90) 및 히터들(91)이 (x 방향으로) 장치(80)를 가로질러 병진할수록, 냉동된 용융물(92)에서의 용질의 농도(C)는 증가한다.
다음으로, (도 9의 C 내지 D에 예시된) 용융물(10)을 재형성(re-form)하기 위하여, 히터들(91)을 이용하여 냉동된 용융물(92)이 재용융(re-melt)될 수 있다. 이것은 장치(80)의 하부에서 용질들의 높은 농도를 갖는 슬러그(83)를 남길 것이다. 이 처리는 하나의 실시예에서 희망하는 순도(purity)의 용융물(10)에 도달하도록 반복될 수 있다. 이것은 슬러그(83)를 재용융하는 것, 또는 다수의 냉동 및 용융 사이클들에 걸쳐 슬러그(83)를 성장시키는 것을 필요로 할 수 있다. 도 9의 E에서, 용융물(10)은 출구 포트(82)를 통해 제거된다. 도 9의 F예서, 슬러그(83)는 장치(80)로부터 제거된다. 이것은 장치(80)로부터 슬러그를 낙하시킴으로써, 슬러그를 재용융시키고 배출함으로써, 또는 장치(80)로부터 슬러그를 펌핑함으로써, 또는 일부 다른 제거 방법에 의해 제거되는 것일 수 있다.
더 높은 순도의 용융물(10)은 용융물(10)에서 구조 과냉각의 가능성을 낮출 수 있다. 용융물(10)의 냉동 온도는 용질들의 존재로 인해 더 낮을 수 있다. 용융물(10)이 냉동되어 있을 때, 이 구조 과냉각은 수지상 성장(dendritic growth)을 만들 수 있다. 또한, 높은 순도의 용융물(10)은 침전물(precipitate) 또는 판(platelet)의 형성 가능성이나, 임의의 냉동된 용융물(10)로의 임의의 침전물들 또는 판들의 부착의 가능성을 낮출 수 있다. 또한, 높은 순도의 용융물(10)은 불순물의 감소로 인해 더 높은 효율의 솔라 셀을 생산할 수 있다. 따라서, 하나의 실시예에서, 용융물(10)은 10-8보다 작은 용질의 질량 분율(mass fraction)을 가진다.
도 9의 A 내지 F의 처리가 액체 실리콘 위에 부유하는 고체 실리콘의 특성과 중력을 이용하기 위한 수직형 구성에서 예시되어 있지만, 상기 처리는 수평으로 수행될 수도 있다. 처리를 수평으로 수행하기 위하여, 중력 효과들이 처리와 간섭하지 않도록 장치(80)의 치수들이 감소된다. 도 11에 예시된 대안적인 실시예에서, 액체 용융물(10)의 작은 구역만 임의의 주어진 시간에 냉동된 용융물(92)로 형성된다. 이것은 냉동 구역(110)을 형성한다. 이 냉동 구역(110)은 장치(80)의 길이 아래로 진행하지만, 냉각기들(90) 및 히터들(91)은 장치(80)에 대해 병진한다. 냉동 구역(110)이 장치(80)의 하나의 단부로부터 다른 단부로 진행할 때, 냉동 구역(110)의 상부는 용융물(10)로 재용융된다. 냉동된 용융물(92)이 위쪽으로 부유하는 것을 방지하기 위하여, 이동가능한 톱니모양의 벽(movable serrated wall)이 사용되어 냉동된 용융물(92)이 장치(80)의 하나의 단부로부터 다른 단부로 이동하는 것을 계속 유지할 수 있다.
더 큰 스루풋(throughput)을 위해 다수의 장치들(80)이 동시에 동작될 수 있다. 도 10은 정제 시스템의 제 2 실시예에 대한 단면 정면도이다. 이 특정한 실시예의 냉각기들(90) 및 히터들(91)은 함께 병진되지만, 각각의 개별 장치(80)를 위한 냉각기들(90) 및 히터들(91)은 독립적으로 병진될 수도 있다. 이것은 각 장치(80)의 타이밍에 시차를 둠으로써 증가된 스루풋을 가능하게 할 수 있다.
도 13은 시트 형성 시스템의 제 1 실시예에 대한 블럭도이다. 시스템(132)은 도가니(130) 및 로드-락(load-lock)(131), 펌프(133), 적어도 하나의 장치(80)를 갖는 정제 시스템(134), 펌프들(135 및 136), 및 시트 형성 장치(137)를 포함한다. 이 시스템(132)은 시트(13)를 형성할 수 있다. 펌프들(133, 135, 136)은 펌프(30) 또는 일부 다른 펌프에 대응할 수 있다. 시트 형성 장치(137)는 장치(21), 장치(23), 또는 당업자들에게 알려져 있는 또 다른 수직 또는 수평 시트 형성 시스템에 대응할 수 있다. 시스템(132)은 필터(51), 입자 트랩(62), 또는 예를 들어, 정제 시스템(134)의 상류(upstream)에 있거나 펌프들(135, 136) 및 시트 형성 장치(137) 사이에 있는 입자 트랩(64)을 더 포함할 수 있다. 정제된 용융물(10)은 이 실시예에서 공기에 노출되지 않으면서 시트 형성 장치(137)에 공급되므로, 시트 형성 장치(137)에 직접 공급원료(feedstock)를 추가하는 방법들에서 존재하는 산화(oxidation)를 회피할 수 있다.
하나의 실시예에서, 도가니(130)는 용융물(10)을 초기에 형성하기 위하여 이용될 수 있다. 다음으로, 이 용융물(10)은 도가니(130)로부터 펌핑된다. 하나의 실시예에서, 도가니(130)는 붕소 나이트라이드 또는 실리콘 나이트라이드와 같은 비오염 재료로 만들어진다. 또 다른 실시예에서, 도가니(130)는 실리콘 카바이드 또는 흑연과 같이, 탄소를 포함하는 재료로 구성될 수 있다. 그러나, 탄소를 포함하는 재료들을 이용하는 것은 용융물(10)이 추후에 필터링되거나 정제될 것을 요구할 수 있다. 또한, 도가니(130)는 실리카(silica) 또는 석영(quartz)과 같은 산소 함유 화합물로 구성될 수 있다. 도가니(130)는 히터들을 포함할 수 있다. 이것은 예를 들어, 유도성, 저항성 또는 오믹 히터들일 수 있다. 하나의 특정한 실시예에서, 도가니(130)는 열적으로 격리되므로, 용융물(10)의 냉동 온도를 초과하는 균일한 온도가 용융물(10)의 전반에 걸쳐 유지될 수 있고, 용융물(10)을 용융시키기 위해 요구되는 전력을 최소화할 수 있다.
이 도가니(130)는 공급원료 재료를 용융물(10)에 추가할 수 있도록 하는 로드-락(131)을 포함할 수 있다. 로드-락(131)은 도가니(130)에 통합될 수 있거나, 도가니(130)로부터의 별도 유닛(separate unit)일 수 있다. 실리콘과 같은 공급원료 재료의 도입 후에, 로드-락(131) 및 도가니(130)는 폐쇄되고 배기될 수 있다. 그 다음으로, 도가니(130)는 기체 소스(138)를 이용하여 아르곤(argon) 또는 다른 희가스(noble gas)와 같은 비활성 기체로 채워질 수 있고, 공급원료 재료를 용융물(10)로 용융시키기 위하여 가열될 수 있다.
산소는 실리콘 옥사이드(silicon oxide)의 증발로 인해 도가니(130)에서 용융물(10)로부터 제거될 수 있다. 실리콘 옥사이드는 실리콘의 용융 온도 미만의 온도에서 휘발성(volatile)일 수 있다. 하나의 특정한 실시예에서, 아르곤 및 실리콘 옥사이드는 하나 또는 그 이상의 횟수 퍼지(purge)되고, 아르곤은 하나 또는 그 이상의 횟수 다시 채워져서 로드-락(131) 또는 도가니(130)로부터 산소를 제거한다. 로드-락(131) 또는 도가니(130)의 벽들이 실리콘 카바이드 표면들 또는 흑연 히터들에서와 같이, 탄소를 함유하는 경우, 탄소 모노옥사이드(carbon monoxide)가 형성될 수 있다. 이 탄소 모노옥사이드는 용융물(10)의 오염을 방지하기 위하여 펌핑하여 배출될 필요가 있을 수 있다. 환원제(reducing agent)로서 작용하기 위하여 또는 용융물(10)로부터 산소의 제거를 증대시키기 위하여, 하나의 실시예에서는 예를 들어, 수소가 로드-락(131) 또는 도가니(130)에 추가될 수 있다.
하나의 예에서, 실리콘과 같은 공급원료는 도가니(130)의 로드-락(131)에 추가된다. 이 실리콘은 변동하는 등급(grade)일 수 있고, 변동하는 형상들 또는 형태들일 수 있다. 큰 산화된 표면들을 갖는 실리콘 펠릿(pellet)들이 하나의 특정한 실시예에서 이용될 수 있다. 다음으로, 로드-락(131)은 폐쇄, 배기, 진공으로 펌핑되어, 산소 또는 다른 기체들을 제거한다. 공급원료는 도가니(130)로 이송되고, 로드-락(131) 및 도가니(130)는 아르곤과 같은 비활성 기체로 채워지며, 공급원료는 용융되어 용융물(10)을 형성한다. 아르곤 기체는 필요에 따라 퍼지(purge)되어, 실리콘 옥사이드 및 탄소 모노옥사이드 오염을 제거한다. 다음으로, 펌프(133)는 용융물(10)을 정제 시스템(134)으로 펌핑한다. 용융물(10)은 정제 시스템(134)으로 진입하기 전에, 필터(51), 입자 트랩(62) 또는 입자 트랩(64)을 통해 펌핑될 수 있다. 장치들(80)은 용융물(10)로 채워지고, 도 9의 A 내지 F에 예시된 바와 같이 용융물(10)을 정제시키기 시작한다. 정제된 용융물(10)은 펌프들(135, 136) 중의 적어도 하나를 채우고, 제어된 레이트로 시트 형성 장치(137)로 펌핑된다. 이 제어된 레이트는 시트(13)를 형성하는 시트 형성 장치(137)에서의 결정화의 레이트와 일치할 수 있다.
하나의 예에서, 용융물(10)은 예를 들어, 펌프(135)로부터 펌핑되지만, 펌프(136)를 채우기 위한 용융물(10)은 정제 시스템(134)에서 정제된다. 최초에 채워진 펌프(135)가 비워져서 시트 형성 장치(137)로의 용융물(10)의 연속적인 배송을 가능하게 하기 전에 또는 가능하게 할 때에 펌프(136)가 시트 형성 장치(137)로 펌핑하는 것을 시작할 수 있도록, 이 정제의 타이밍이 정해진다.
도 14는 시트 형성 시스템의 제 2 실시예에 대한 블럭도이다. 이 시스템(140)은 시트 형성 장치(137)로부터 펌프(136)까지의 리사이클(recycle)(141)을 포함한다. 이것은 시트 형성 장치(137)에서 용융물(10)의 연속적인 순환을 가능하게 할 수 있다.
도 15는 시트 형성 시스템의 제 3 실시예에 대한 블럭도이다. 이 시스템(150)은 시트 형성 장치(137)로부터 정제 시스템(134) 및 펌프(136)까지 점선(151)으로 예시된 리사이클을 포함한다. 대안적인 실시예에서, 리사이클은 정제 시스템(134)과만 유체 연통 상태에 있다. 이것은 시트 형성 장치(137)에서 용융물(10)의 연속적인 순환을 가능하게 할 수 있고, 시트 형성 장치(137)에서 또는 시스템(150)의 그 외의 장소에서 추가된 임의의 용질들의 용융물(10)을 정제할 것이다. 따라서, 용융물(10)은 용질들 또는 불순물들로 강화되지 않을 것이다. 시트(13)가 시트 형성 장치(137)에 의해 생산되는 경우, 1 미만의 분리 계수를 갖는 용질들은 다음의 수학식에 따라 용융물(10)에서 강화될 것이다.
Figure pct00001
여기서, VO는 도가니(130) 또는 시트 형성 장치(137)의 체적이고, x는 용융물(10)에서의 용질 농도이고, k는 용질의 분리 계수이고, V는 냉동 체적 레이트(하나의 예에서 시트 형성 장치(137)로의 용융물(10) 입력 레이트와 동일할 수 있음). 예를 들어, 도가니(130) 내에서, x(t)는 xO로부터 변동될 것이다.
예를 들어, 100 ㎛ 두께의 시트(13)를 10 ㎡/h로 생산하는 용융물(10)의 1.6 L을 갖는 생산 크기의 시스템에서, <.01의 분리 계수를 갖는 용질의 농도는 대략 16시간 후에 10배로 증가할 것이다. 시트(13)가 시트 형성 장치(137)에서 생산될 때, 정제 시스템(134)에서 용융물(10)을 정제하기 위해 이용된 것과 동일한 현상은 용질들의 강화를 야기시킨다. 따라서, 모든 용질들은 이 용질들이 시트 형성 장치(137)에서의 시트(13)의 생산에 의해 "발생(generated)"되는 것과 동일한 레이트로 제거될 수 있다. 이것은 시트(13)가 생산되는 동안에 순수한 용융물(10)의 연속적인 상태 또는 용융물(10)에서의 낮은 용질 농도를 가능하게 한다.
또 다른 실시예에서는, 정제 시스템(134)과 유사한 또 다른 정제 시스템이 시트 형성 장치(137)에만 연결된다. 이것은 시트 형성 장치(137)로 다시 흐르게만 할 것이다. 이것은 정제 시스템(134)으로부터의 흐름과 분리된 리사이클 흐름에서 용질들의 제거를 가능하게 한다.
도 16은 용융물로부터 시트를 분리하는 장치의 제 1 실시예에 대한 상부 평면도이다. 장치(21)의 이 실시예는 펌프들(160)을 포함한다. 2개의 펌프들(160)이 도 16에 예시되어 있지만, 다른 실시예들은 하나의 펌프(16) 또는 2개를 초과하는 펌프들(160)을 이용할 수 있다. 이 펌프들(160)은 도 3의 펌프들(30)에 대응할 수 있다. 펌프들(160)은 용융물(10)이 방향(162)으로, 그리고 결과적으로, 벽들(163) 주변의 배수로(12) 상부의 방향(161)으로 흐르게 한다. 이 펌프들(160)은 장치(21) 내에서 용융물(10)의 중단되지 않는 흐름을 제공할 수 있다. 용융물(10)은 펌프들(160)을 이용하여 더 높은 수직 위치로 펌핑될 수 있다.
도 17은 용융물로부터 시트를 분리하는 장치의 제 2 실시예에 대한 상부 평면도이다. 펌프들(160)을 포함하는 것 외에도, 장치(21)의 이 실시예는 유닛(unit)들(170)을 포함한다. 이 유닛들(170)은 예를 들어, 도 5 내지 도 7로부터의 필터(51), 입자 트랩(62), 또는 입자 트랩(64)에 대응할 수 있다. 유닛들(170)은 또한 당업자들에게 알려져 있는 다른 필터 시스템들일 수 있다.
도 18은 시트 형성 시스템의 제 4 실시예에 대한 블럭도이다. 시스템(180)은 도가니(130) 및 로드-락(131), 기체 소스(138), 펌프(133 및 181), 및 시트 형성 장치(137)를 포함한다. 이 시스템(180)은 시트(13)를 형성할 수 있다. 펌프들(133 및 181)은 펌프(30) 또는 일부 다른 펌프에 대응할 수 있다. 시트 형성 장치(137)는 장치(21), 장치(23), 또는 당업자들에게 알려져 있는 또 다른 수직 또는 수평 시트 형성 시스템에 대응할 수 있다. 시스템(180)은 예를 들어, 시트 형성 장치(137) 또는 펌프(181)의 상류에 있는 필터(51), 입자 트랩(62), 또는 입자 트랩(64)을 더 포함할 수 있다.
시스템(180)은 밸브(182) 및 출구 파이프(183)를 더 포함한다. 용융물(10)은 이 예에서 전자기술 등급의 실리콘일 수 있다. 용융물(10)은 펌프(181)를 이용하여 시트 형성 장치(137)를 통해 연속적으로 순환된다. 용융물(10)에서의 용질 농도 레벨이 특정 임계값을 초과하거나 시트(13) 위의 수지상 성장보다 앞설 때, 밸브(182)는 개방되고, 용융물(10)은 출구 파이프(183)를 이용하여 시트 형성 장치(137)로부터 배출된다. 하나의 예에서, 이 임계값은 10-8보다 큰 용질 질량 분율이다. 이것은 용융물(10)에서의 구조적 불안정성들 및 시트(13) 위의 수지상 성장을 발생시키기에 충분한 용질 질량 분율일 수 있다.
도가니(130)는 펌프(133)를 이용하여 시트 형성 장치(137)로 펌핑되는 시트 형성 장치(137)를 위한 새로운 용융물(10)을 생산할 것이다. 이 펌핑은 시트 형성 장치(137)의 연속적인 동작을 가능하게 할 수 있다. 하나의 예에서, 이 새로운 용융물(10)은 대략 10-10의 용질 질량 분율을 가질 수 있다. 출구 파이프(183)를 이용하여 배출된 용융물(10)은 이 예에서 더 낮은 등급의 실리콘일 수 있고, 다른 목적들을 위해 이용될 수 있다. 예를 들어, 출구 파이프(183)를 이용하여 배출된 이 용융물(10)은 솔라 등급(solar-grade) 실리콘일 수 있다.
하나의 특정한 실시예에서, 시스템(180)은 더 낮은 용질 농도를 갖는 용융물(10)을 위한 저장소(reservoir)를 더 포함한다. 용융물(10)은 출구 파이프(183)를 이용하여 배출되므로, 저장소는 시트 형성 장치(137)의 연속적인 동작을 가능하게 할 수 있다. 이 저장소는 펌프(133)의 하류와, 시트 형성 장치(137)의 상류에 위치될 수 있다.
본 개시 내용은 본 명세서에서 설명된 특정 실시예들에 의해 그 범위가 한정되지 않는다. 실제로, 본 명세서에서 설명된 것들에 부가하여, 본 개시 내용의 다른 다양한 실시예들 및 본 개시 내용에 대한 변형예들은 전술한 설명 및 첨부 도면들로부터 당업자들에게 명백할 것이다. 따라서, 이러한 다른 실시예들 및 변형예들은 본 개시 내용의 범위 내에 속하도록 의도된 것이다. 또한, 본 개시 내용은 특정 목적을 위한 특정 환경에서 특정 구현예를 고려하여 본 명세서에서 설명되었지만, 당업자들은 그 유용성이 그것으로 한정되지 않으며 본 개시 내용은 임의의 수의 목적들을 위해 임의의 수의 환경들에서 유리하게 구현될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 따라서, 이하에 기재된 청구항들은 본 명세서에서 설명된 바와 같은 본 개시 내용의 완전한 범위 및 취지를 고려하여 해석되어야 한다.

Claims (17)

  1. 챔버 내의 용융물의 제 1 부분을 제 1 방향으로 냉동시키는 단계;
    상기 용융물의 상기 제 1 부분의 일부를 상기 제 1 방향으로 용융시키고, 상기 용융물의 제 2 부분을 냉동된 상태로 남기는 단계;
    상기 챔버로부터 상기 용융물을 흐르게 하는 단계; 및
    상기 챔버로부터 상기 제 2 부분을 제거하는 단계를 포함하는, 정제 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 용융물은 실리콘(silicon), 실리콘 및 게르마늄(germanium), 갈륨(gallium), 및 갈륨 나이트라이드(gallium nitride)로 구성되는 그룹으로부터 선택되는, 정제 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 냉동 중에 상기 용융물 및 상기 제 2 부분에서 용질들을 응축시키는 단계를 더 포함하는, 정제 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제거하는 단계는 상기 챔버로부터 상기 제 2 부분을 낙하시키는 단계를 포함하는, 정제 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제거하는 단계는 상기 제 2 부분을 용융시키는 단계와, 상기 챔버로부터 상기 제 2 부분을 흐르게 하는 단계를 포함하는, 정제 방법.
  6. 공동(cavity), 입구(inlet), 및 출구(outlet)를 형성하는 챔버;
    냉각기;
    히터; 및
    상기 챔버를 따라 제 1 방향으로 상기 냉각기 및 상기 히터를 병진하도록 구성된 병진 기구(translation mechanism)를 포함하는, 용융물을 정제하기 위한 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 히터는 오믹 히터(ohmic heater), 유도 코일(induction coil), 및 저항성 히터(resistance heater) 중의 적어도 하나를 포함하는, 용융물을 정제하기 위한 장치.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 냉각기 및 상기 히터 사이의 절연부를 더 포함하는, 용융물을 정제하기 위한 장치.
  9. 용융물을 형성하도록 구성된 도가니;
    상기 도가니와 유체 연통 상태에 있는 제 1 펌프;
    상기 제 1 펌프와 유체 연통 상태에 있는 정제 시스템;
    상기 정제 시스템과 유체 연통 상태에 있는 제 2 펌프; 및
    시트를 형성하기 위하여 상기 용융물을 냉동시키도록 구성된 시트 형성 장치를 포함하고,
    상기 시트 형성 장치는 제 1 경로를 따라 상기 제 2 펌프와 유체 연통 상태에 있고, 상기 시트 형성 장치는 상기 용융물을 수용하도록 구성된 채널을 형성하는 용기와, 상기 용융물 위에 배치된 냉각 판을 포함하는, 시트를 형성하기 위한 장치.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 시트 형성 장치는 배수로(spillway)를 포함하고, 상기 용융물 및 상기 시트는 상기 배수로를 향해 상기 채널 내에서 흐르는, 시트를 형성하기 위한 장치.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 정제 시스템은,
    공동, 입구, 및 출구를 형성하는 챔버;
    냉각기;
    히터; 및
    상기 챔버를 따라 제 1 방향으로 상기 냉각기 및 상기 히터를 병진시키도록 구성된 병진 기구를 포함하는, 시트를 형성하기 위한 장치.
  12. 청구항 9에 있어서,
    필터를 더 포함하는, 시트를 형성하기 위한 장치.
  13. 청구항 9에 있어서,
    입자 트랩(particle trap)을 더 포함하는, 시트를 형성하기 위한 장치.
  14. 청구항 9에 있어서,
    상기 정제 시스템과 유체 연통 상태에 있는 제 3 펌프를 더 포함하고, 상기 시트 형성 장치는 상기 제 3 펌프와 유체 연통 상태에 있는, 시트를 형성하기 위한 장치.
  15. 청구항 9에 있어서,
    상기 시트 형성 장치 및 상기 제 2 펌프 사이의 제 2 경로를 더 포함하고, 상기 제 2 경로는 상기 용융물의 상기 시트 형성 장치로의 순환을 가능하게 하도록 구성되는, 시트를 형성하기 위한 장치.
  16. 청구항 9에 있어서,
    상기 시트 형성 장치는 상기 정제 시스템과 유체 연통 상태에 있는, 시트를 형성하기 위한 장치.
  17. 청구항 9에 있어서,
    상기 제 1 펌프 및 상기 제 2 펌프는,
    상기 용융물을 수용하도록 구성된 공동을 형성하는 챔버;
    상기 챔버와 유체 연통 상태에 있는 기체 소스;
    상기 챔버와 유체 연통 상태에 있는 제 1 파이프;
    상기 챔버와 유체 연통 상태에 있는 제 2 파이프;
    상기 제 1 파이프 및 상기 챔버 사이에 배치된 제 1 밸브; 및
    상기 챔버 및 상기 제 2 파이프 사이에 배치된 제 2 밸브를 포함하는, 시트를 형성하기 위한 장치.
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